Produire moins cher, plus rapidement, recycler, relever les grands défis des matériaux composites

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Le concept de matériaux composites est assez large. "C'est la combinaison d'au moins deux composants non miscibles qui, ensemble, ont de meilleures propriétés que ces mêmes matériaux pris séparément", résume l'ingénieur Laurent Aubertin, pôle de compétitivité EMC2 À Nantes. Nous parlons principalement de fibres, souvent de carbone, amalgamées avec de la résine, cette combinaison offrant des avantages incontestés de légèreté, de rigidité et de résistance. De ce fait, les composites n’ont pas fini de gagner du terrain, principalement sur le métal. Le Jec World 2019, qui se tient du 12 au 14 mars à Paris Villepinte, est le théâtre de ces avancées pour améliorer la mise en œuvre de ces matériaux et réduire les coûts.

1- Conquérir de nouveaux usages

"Plus de 50% de la masse des nouveaux aéronefs, y compris l'A350 et l'A787, sont désormais fabriqués en matériaux composites, contre 20 à 25% par rapport aux générations précédentes", rappelle Christophe Champenois, responsable de la division composite du Cetim. Ces nouveaux matériaux sont au cœur des réacteurs Leap de Safran (ventilateurs et aubes). De nombreuses autres utilisations sont révélées. Angevine Hydrovide, par exemple, a conçu un camion citerne équipé d’un réservoir en composite, permettant l’allègement de la machine et la résistance aux fluides corrosifs. L'enroulement filamentaire favorisera l'avancée des réservoirs à hydrogène.

Sans parler de la structure des voitures que les charbons allègeront encore plus. Eric Pierrejean, PDG du groupe Jec, voit dans le bâtiment un large champ de possibilités avec du béton armé de composites. Pour les mêmes raisons de poids et de résistance à la corrosion, Christophe Champenois évoque de nouvelles applications tubulaires pour la prospection d'hydrocarbures d'eau profonde. Nous imaginons également des correctifs pour consolider les œuvres d'art. "Les composites seront une source d'inspiration pour les architectes", anticipe Eric Pierrejean. Ces matériaux sont aussi loin de leur apogée dans le sport – sans eux, pas de feuilles pour les voiliers – et dans l'équipement de la personne, médicalement ou exosquelette.

2- Grimper

Produire plus rapidement et donc moins cher, tel est le principal défi du secteur. "La production de pièces composites reste artisanale, même si nous automatisation "admet Stéphane Cassereau, directeur de l'IRT Jules-Verne , en expliquant qu'il faut aller plus loin pour mieux s'inscrire aux futurs programmes aéronautiques et aux cadences de l'automobile. Il est donc nécessaire de perfectionner l'automatisation du placement des fibres, des renforts rigidifiant les pièces, du dosage des quantités de matériaux au bon endroit en fonction des épaisseurs souhaitées. Il s’agit également de répondre au problème des pièces de grandes dimensions, telles que les pales d’éoliennes ou les coques de bateaux où les composites permettent de se débarrasser des outils et de limiter le montage.

Avec son processus de stratification matelassée (QSP), qui fonctionne en empilant des couches, le Cetim vise des cadences de production de 90 à 240 secondes par pièce. Lors du salon Jec World, ce centre technique présentera l'exemple d'une production à grande vitesse de fenêtres d'aéronefs, selon ce processus permettant de limiter l'usinage et d'intégrer d'emblée les inserts métalliques. Les fabricants français Compose Tools et Pinette Emidecau Industries sont impliqués dans cette technologie. Breton Coriolis figure également parmi les champions français de l'automatisation des composites.

3- Généraliser les thermoplastiques

Avec la technologie thermodurcissable, la plus courante, la pièce doit réussir du premier coup. Impossible de le modéliser une fois la résine prise. La technologie des thermodurcissables, en revanche, permet de travailler ensuite la pièce, comme le métal. Il est également possible de souder des éléments thermoplastiques (par laser, induction, vibrations …), de travailler sur de plus petites séries et de limiter le nombre d'outils (moules).

Sur certaines pièces de sécurité, dans l'automobile, ce matériau est plus résistant aux chocs. "Vous pouvez également créer des mélanges avec injection plastique"Détails Laurent Aubertin. Les thermoplastiques sont également recyclables et ne produisent pas de vapeurs de styrène. L'usine Daher à Nantes est considérée comme l'une des références en matière de maîtrise des thermoplastiques. L'équipementier fabrique des milliers de clips pour le fuselage des avions. Les groupes NP Dedienne et Sintex ont également une longueur d’avance dans ce domaine. Mais la mise en œuvre reste à améliorer. C’est l’un des défis majeurs de l’IRT Jules-Verne ou de Saint-Exupéry ou du Cetim, qui ont investi des millions d’euros dans des lignes pilotes. Des PME comme le Vendéen Huguet ont également misé sur l'intégration de cette technologie.

4- Réduire les coûts

Le prix élevé des composites est en partie dû à l'utilisation de fibres de renforcement de carbone, qui coûtent entre 15 et 20 euros par kilo. Le défi du programme Force est de réduire ce prix à 8 euros le kilo. Le centre de technologie Canoë et l'IRT Jules-Verne a inauguré en octobre dernier une ligne pilote semi-industrielle de fibre de carbone économique à Lacq (Pyrénées-Atlantiques). Avec un coût de 3 millions d'euros, cet équipement offre une capacité de production de deux tonnes de fibres par an, laissant ainsi la place à l'expérimentation.

La fibre développée est une alternative au polyacrylonitrile (ou PAN), le matériau de référence utilisé aujourd'hui, inabordable pour l'industrie automobile. Il utilise des matériaux alternatifs, biosourcés ou recyclés, tels que des dérivés de biomasse ou des polyoléfines. Une force mobilisant un total de 18 millions d'euros est très mobilisatrice. Faurecia, PSA, Renault, Plastic Omnium, Stelia Composite ou Decathlon sont impliqués ainsi qu'Arkema, Total, Tembec, spécialiste du four Mersen ou Chomarat, expert du tissage.

5- recycler

Les matériaux composites n'ont pas une bonne réputation environnementale. Leur recyclage C'est seulement à sa genèse. Le procédé Thermosaïc, développé par le Cetim Grand Est, permet de récupérer les pièces usagées pour recréer de nouvelles feuilles de composites thermoplastiques. Il devrait être industrialisé à moyen terme. La recherche de produits recyclables progresse, l’une des références étant la résine Elium du chimiste français Arkema.

Une autre piste est l'introduction de matériaux biosourcés. La fibre de lin est déjà utilisée dans les intérieurs de portes automobiles, mais pas encore sur les pièces structurelles. Mais il n’est pas encore possible de séparer la graine de lin de certaines résines dans lesquelles elle est amalgamée. "Le lin a l'avantage d'être léger et sa forme creuse lui confère des propriétés acoustiques", mentionne Laurent Aubertin du pôle EMC2, associé dans ce domaine au projet de recherche Fleur, impliquant la société Howa-Tramico.

La fibre de chanvre et le bambou ont également des atouts de légèreté. Filsit, un autre projet EMC2, mobilise le système Omega de Nantes et la société bretonne Nanovia, qui développent des filaments pour l’impression 3D à partir de bandes de carbone en chute générées par des machines de placement de fibres.

6- Intégrer l'intelligence

Contrairement au métal, nous pouvons définir la recette des composites à la carte. Cela permet d'intégrer des systèmes câblés, des antennes et d'autres objets connectés. "Nous pouvons les rendre intelligents en leur fournissant des fonctionnalités supplémentaires"explique Laurent Aubertin. Il est donc possible d’imaginer des systèmes d’antennes dans le toit du camping-car. Naval Group s'intéresse depuis longtemps à ses navires de guerre. La société bretonne Sense in développe des systèmes de capteurs permettant de mesurer la déformation et la résistance mécanique du matériau. Cela soulève d'autres problèmes techniques, notamment la compatibilité des matériaux, dans la mesure où l'objet communiquant dans le bain de résine ne doit pas être endommagé.

Emmanuel Guimard

Correspondant à Nantes